DE102013220092B4

DE102013220092B4 - Verfahren zum Regenerieren eines Aktivkohlefilters und Tankentlüftungssystem

Info

Publication number: DE102013220092B4
Application number: DE102013220092.7A
Authority: DE
Inventors: Manfred Weigl; Andreas Wildgen
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2033-10-03
Also published as: DE102013220092A1; WO2015049157A1

Abstract

Verfahren zum Regenerieren eines Aktivkohlefilters (1) eines Tankentlüftungssystems eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges, bei dem gasförmige Kohlenwasserstoffe, welche in einem Kraftstofftank (5) des Kraftfahrzeuges entstehen oder beim Betanken verdrängt werden, über ein Aktivkohlefilter (1) geleitet und dort gespeichert werden und bei dem das Aktivkohlefilter (1) durch Entfernen der gasförmigen Kohlenwasserstoffe regeneriert wird, wobei zur Regeneration des Aktivkohlefilters (19) die im Filter (1) eingespeicherten Kohlenwasserstoffe von der Aktivkohle desorbiert, vom Aktivkohlefilter (1) entfernt, kondensiert und gesammelt werden und die gesammelten verflüssigten Kohlenwasserstoffe der Brennkraftmaschine zugeführt werden wobei die im Aktivkohlefilter (1) eingespeicherten Kohlenwasserstoffe durch Unterdruckbeaufschlagung des Filters (1) ausgegast und auf diese Weise von der Aktivkohle desorbiert werden, wobei die Kondensation der Kohlenwasserstoffe in gutem Wärmekontakt mit der Aktivkohle durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,dass die gesammelten verflüssigten Kohlenwasserstoffe unter Druck gehalten und zu einem bestimmten Zeitpunkt der Brennkraftmaschine zugeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines Aktivkohlefilters eines Tankentlüftungssystems eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges, bei dem gasförmige Kohlenwasserstoffe, welche in einem Kraftstofftank des Kraftfahrzeuges entstehen oder beim Betanken verdrängt werden, über ein Aktivkohlefilter geleitet und dort gespeichert werden und bei dem das Aktivkohlefilter durch Entfernen von gasförmigen Kohlenwasserstoffen regeneriert wird.
Um zu vermeiden, dass aufgrund von Verdunstung Kraftstoffbestandteile aus Fahrzeugtanks in die Umwelt gelangen, werden Tankentlüftungen mit Aktivkohlefiltern versehen, welche Kohlenwasserstoffe speichern können. Im Fahrbetrieb werden die Filter regeneriert, indem die Brennkraftmaschine Frischluft durch das Filter saugt und dabei die eingespeicherten Kohlenwasserstoffe ausspült und im Brennraum im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine verbrennt. Ein derartiges System benötigt daher eine Spülluftleitung vom Kraftstofftank bis zur Brennkraftmaschine, und der entsprechende Spülvorgang wird vom zugehörigen Steuergerät der Brennkraftmaschine gesteuert. Bei zukünftigen Antriebskonzepten wird es jedoch immer schwieriger, ausreichend lange Betriebszustände der Brennkraftmaschine zu finden, welche ein Spülen des Aktivkohlefilters erlauben. Des Weiteren ist ein derartiges System, um eine ausreichende Filterregeneration sicherzustellen, mit relativ aufwendigen Komponenten (Purge Pump, HC-Sensor, regelbare Spülluftventile, heizbare Aktivkohlefilter, Drucktanks) versehen.
Aus der US 2001/0052292 A1 ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden zur Regeneration des Aktivkohlefilters die im Filter eingespeicherten Kohlenwasserstoffe durch Einführung eines Spülgases (Luft) von der Aktivkohle desorbiert. Auf diese Weise bildet sich im Aktivkohlefilter ein Gasgemisch aus dem eingeführten Spülgas sowie den desorbierten Kohlenwasserstoffen, das mit einem Gebläse vom Aktivkohlefilter abgeführt und wieder in Spülgas sowie Kohlenwasserstoffe getrennt wird.
Aus der DE 10 2011 002 021 A1 ist eine Kraftstoffanlage bekannt, bei der ein Aktivkohlefilter mit einem Frischluftstrom beaufschlagt wird, der von einer Pumpeneinheit durch das Aktivkohlefilter geblasen oder gesaugt wird.
Aus der DE 42 15 949 C1 ist es bekannt, verflüssigte Kohlenwasserstoffe über den Luftansaugkanal einer Brennkraftmaschine zuzuführen.
Die JP 2000-104630 A beschreibt eine Kraftstoffdampf-Behandlungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine.
Die DE 197 40 335 A1 betrifft einen Aktivkohlefilter für Kraftfahrzeuge zur Adsorption von im Tank von Kraftfahrzeugen entstehenden Kraftstoffdämpfen und zur Desorption und Rückführung der Dämpfe in die Brennräume des Motors des Kraftfahrzeugs,
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs wiedergegebenen Art zur Verfügung zu stellen, das unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass zur Regeneration des Aktivkohlefilters die im Filter eingespeicherten Kohlenwasserstoff durch Unterdruckbeaufschlagung ausgegast werden, vom Aktivkohlefilter entfernt, kondensiert und unter Druck gesammelt und gehalten werden und die gesammelten verflüssigten Kohlenwasserstoffe der Brennkraftmaschine zu einem bestimmten Zeitpunkt zugeführt werden.
Zur Aufnahme der ausdampfenden Kohlenwasserstoffe beim Betanken und in Stillstandsphasen ist ein Aktivkohlefilter erforderlich, mit dem die Kohlenwasserstoffe in konzentrierter Form gesammelt werden. Die Wirkung der Aktivkohle besteht darin, dass Kohlenwasserstoffmoleküle physikalisch an die Kohle gebunden werden, was den Sättigungsdampfdruck so weit erniedrigt, dass keine unzulässig hohe Kohlenwasserstoffemission auftritt. Erfindungsgemäß werden nunmehr durch die Erniedrigung des Umgebungsdrucks oder des Partialdrucks die so eingespeicherten Kohlenwasserstoffmoleküle wieder ausgegast, wodurch das Aktivkohlefilter regeneriert wird. Erfindungsgemäß wird Unterdruck erzeugt, welcher ein Ausgasen der Kohlenwasserstoffe bewirkt. Da sich im Aktivkohlefilter allenfalls nur im Totvolumen Luft befindet, können relativ hochkonzentrierte Kohlenwasserstoffe angesaugt werden. Beispielsweise befinden sich in einem Aktivkohlefilter der Größe von 2 1 etwa 150 g Butan, was einem Gasvolumen von mehr als 50 1 entspricht. Da sich in einem Aktivkohlefilter mit beispielsweise 2 1 Volumen, wenn überhaupt, sicher weniger als 0,2 1 Luft befinden, kann der Butan-Partialdruck von 2 bar mit realisierbarem Aufwand erreicht werden.
Die Kohlenwasserstoffe beginnen zu kondensieren, der Druck bleibt konstant (bei konstanter Temperatur). Da das nachströmende Gas aus dem Aktivkohlefilter aber nahezu keine Luft mehr enthält, steigt der benötigte Druck während der weiteren Regenerierung nicht mehr wesentlich an.
Die kondensierten (verflüssigten) Kohlenwasserstoffe werden erfindungsgemäß gesammelt, und die gesammelten verflüssigten Kohlenwasserstoffe werden der Brennkraftmaschine zugeführt, um ihre Funktion als Kraftstoff zu erfüllen.
Erfindungsgemäß werden die gesammelten verflüssigten Kohlenwasserstoffe unter Druck gehalten und zu einem bestimmten Zeitpunkt der Brennkraftmaschine zugeführt. So sind die leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffe beispielsweise ideal für Kaltstartvorgänge. Da der Anteil der leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffe, insbesondere von Butan, im Benzin sehr gering ist, reicht hierbei ein relativ kleines druckfestes Speichervolumen aus, um die gesamte Menge, typischerweise bis zu 150 g, welche nach einem Betankungsvorgang vorhanden ist, zu speichern.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Aktivkohlefilter bis auf einen definierten Restdruck im Filter regeneriert werden, indem die Unterdruckbeaufschlagung bei Erreichen des Restdrucks gestoppt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Drücke zum Ausspeichern und Kondensieren von wesentlicher Bedeutung. Erfindungsgemäß werden auch die entsprechenden Temperaturen optimiert.
Die hier anfallenden Kohlenwasserstoffgase können am effizientesten bei hohen Temperaturen aus dem Aktivkohlefilter gesaugt werden, da der Dampfdruck direkt von der Temperatur abhängt. Die Kondensation ist aus dem gleichen Grund effizienter bei niedrigen Temperaturen.
Da das Ausspeichern von Kohlenwasserstoffen endotherm ist, d. h., es wird Energie verbraucht und die Temperatur sinkt, die Kondensation aber exotherm ist, also wärmefrei wird, ist es zweckmäßig, die Kondensation in gutem Wärmekontakt mit der Aktivkohle stattfinden zu lassen, um die Erwärmung zu reduzieren und das Abkühlen der Aktivkohle zu verhindern. Erfindungsgemäß wird daher die Kondensation der Kohlenwasserstoffe in gutem Wärmekontakt mit der Aktivkohle durchgeführt. Zielsetzung ist hierbei, die Kondensationswärme möglichst in das gesamte Aktivkohlevolumen zu übertragen und andererseits ein Abkühlen der Aktivkohle beim Ausspeichern zu verhindern.
Um dies zu verwirklichen, wird die Kondensation der Kohlenwasserstoffe vorzugsweise in einer als Kondensator dienenden Rohrschlange im Aktivkohlefilter durchgeführt.
Während der Regeneration findet vorzugsweise keine Entlüftung des Kraftfahrzeugtanks statt. Es kann aber, wenn nötig (bei zu hohem Druck im Tank), jederzeit die Regeneration abgebrochen werden. Da sich der Druckausgleich dann relativ schnell einstellt, bleibt immer genügend Zeit, die Regeneration durchzuführen. Um zu vermeiden, dass während der Regeneration Unterdruck im Kraftstofftank entsteht (beispielsweise beim Absinken der Temperatur oder durch Kraftstoffentnahme), kann der Kraftstofftank mit einem Rückschlagventil belüftet werden, ohne dass dafür die Regeneration des Aktivkohlefilters unterbrochen werden muss.
Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Regenerationsverfahrens besteht darin, dass die Aktivkohlefilterregenerierung unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Das bedeutet:

- im Testzyklus steht immer ausreichend Zeit für die Regenerierung zur Verfügung,
- die Brennkraftmaschine kann ohne Rücksicht auf die Regenerierung optimal bezüglich Verbrauch, Abgas und Leistung betrieben werden (d. h., es muss nicht mit homogenem Gemisch gefahren werden, und es ist keine Androsselung im Luftpfad zur Erzeugung von Unterdruck nötig).

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Tankentlüftungssystem eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges mit einem Kraftstofftank, einem Aktivkohlefilter, einer Leitung vom Kraftstofftank zum Aktivkohlefilter und einer Leitung vom Aktivkohlefilter zur Umgebung.
Ein derartiges Tankentlüftungssystem soll erfindungsgemäß so ausgestaltet werden, dass die Regeneration des Aktivkohlefilters unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Tankentlüftungssystem eine Einrichtung zur Unterdruckbeaufschlagung des Aktivkohlefilters zur Ausgasung von eingespeicherten Kohlenwasserstoffen, eine Einrichtung zum Entfernen der ausgegasten Kohlenwasserstoffe aus dem Aktivkohlefilter, eine Einrichtung zum Kondensieren der entfernten ausgegasten Kohlenwasserstoffe, eine Einrichtung zum Sammeln und unter Druck halten der verflüssigten Kohlenwasserstoffe und eine Einrichtung zur Zuführung der unter Druck gehaltenen verflüssigten Kohlenwasserstoffe zur Brennkraftmaschine zu einem bestimmten Zeitpunkt aufweist.
Dabei besitzt das Tankentlüftungssystem die Einrichtung zum Sammeln der verflüssigten Kohlenwasserstoffe, bei der es sich beispielsweise um einen geeigneten Sammelbehälter handeln kann. Hierbei kann es sich um einen relativ kleinen druckfesten Sammelbehälter handeln, um die gesamte Menge an verflüssigten Kohlenwasserstoffen zu speichern, die dann zum richtigen Zeitpunkt in geeigneter Weise der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
Bei der Einrichtung zur Unterdruckbeaufschlagung des Aktivkohlefilters handelt es sich vorzugsweise um eine Saugpumpe, mittels der der zur Ausgasung der eingespeicherten Kohlenwasserstoffe erforderliche Unterdruck erzeugt wird. Die Einrichtung zum Kondensieren der ausgegasten Kohlenwasserstoffe ist ein im Aktivkohlefilter angeordneter Wärmetauscher, der beispielsweise eine von den ausgegasten Kohlenwasserstoffen durchströmte Rohrschlange sein kann. Eine solche Rohrschlange kann als Kondensator im Aktivkohlebehälter integriert sein, um die entstandene Kondensationswärme möglichst in das gesamte Aktivkohlevolumen zu übertragen und andererseits ein Abkühlen der Aktivkohle beim Ausspeichern zu verhindern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt den schematischen Aufbau eines Tankentlüftungssystems mit Aktivkohlefilterregeneration.
Das in der Figur schematisch dargestellte Tankentlüftungssystem umfasst einen Kraftstofftank 5, der über eine Leitung 9 und ein darin angeordnetes Ventil 4 mit einem Aktivkohlefilter 1 verbunden ist. Gase, welche im Kraftstofftank 5 entstehen oder beim Betanken verdrängt werden, können so über das Aktivkohlefilter 1 und eine Leitung 7, ein darin angeordnetes Ventil 3 und das Luftfilter 8 in die Umgebung entweichen. Dabei werden mitgeführte Kohlenwasserstoffgase im Aktivkohlefilter 1 eingespeichert, indem Kohlenwasserstoffmoleküle physikalisch an die Aktivkohle gebunden werden. Wenn sich zu viele Kohlenwasserstoffe im Aktivkohlefilter 1 angesammelt haben, muss dieser entsprechend regeneriert werden.
Hierzu werden das in der Leitung 9 angeordnete Ventil 4 und das in der Leitung 7 angeordnete Ventil 3 geschlossen. Dem Aktivkohlefilter 1 ist eine Pumpe 2 zugeordnet, mittels der im Aktivkohlefilter 1 ein Unterdruck erzeugt wird, wodurch die eingespeicherten Kohlenwasserstoffe ausgasen. Dabei kühlt sich das Aktivkohlefilter ab. Die Pumpe 2 fördert nunmehr das Gasgemisch aus Restluft und den Kohlenwasserstoffen über ein Rückschlagventil 10 durch einen Wärmetauscher in Form einer Rohrschlange 11 in einen Sammelbehälter 6. Hierbei kondensieren die Kohlenwasserstoffe. Das Volumen des Sammelbehälters 6 ist dabei so dimensioniert, dass die Restluft, welche nach Anlauf der Pumpe 2 als erstes gefördert wird, nur einen ausreichend kleinen Anteil des Gases einnimmt, um mit möglichst niedrigem Behälterdruck eine Kondensation der Kohlenwasserstoffe zu erreichen.
Vom Sammelbehälter 6 führt eine Leitung 12 mit darin angeordnetem Ventil 13 zur Brennkraftmaschine, um die verflüssigten Kohlenwasserstoffe der Brennkraftmaschine als Kraftstoff zuzuführen.
Wenn beispielsweise das Totvolumen im Aktivkohlefilter 1 0,1 1 beträgt, beträgt das Volumen des Sammelbehälters 6 1 l. Im ungünstigsten Fall fördert nun die Pumpe 2 0,1 1 Luft vermischt mit Kohlenwasserstoffen, und der Behälter 6 ist mit Luft gefüllt. Unter diesen Bedingungen wird je nach Maximaldruck der Pumpe 2 und der Kohlenwasserstoffmenge aus dem Aktivkohlefilter 1 eventuell keine Kondensation im Behälter 6 erreicht. Bei Überschreiten eines vordefinierten Druckmaximums wird dann die Pumpe 2 abgeschaltet, und der Sammelbehälter 6 über das Ventil 13 und die Leitung 12 in geeigneter Weise (Zeit und Volumenstrom) in die Ansaugluft der Brennkraftmaschine entlüftet. Bei diesem Vorgang reduziert sich die vorhandene Luftmenge, so dass in den nächsten Pumpzyklen sicher Kondensation im Behälter 6 auftritt. Die Luftkonzentration im gesamten Volumen zwischen Pumpe 2, Rückschlagventil 10, Rohrschlange 11 und Behälter 6 reduziert sich nach wenigen Zyklen auf weit unter 10 %, da im Aktivkohlefilter 1 in diesem Beispiel nie mehr als 0,1 1 Luft gespeichert wird, aber pro Pumpzyklus bis über 50 1 Kohlenwasserstoffe aus der Aktivkohle gesaugt werden können.

Claims

Verfahren zum Regenerieren eines Aktivkohlefilters (1) eines Tankentlüftungssystems eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges, bei dem gasförmige Kohlenwasserstoffe, welche in einem Kraftstofftank (5) des Kraftfahrzeuges entstehen oder beim Betanken verdrängt werden, über ein Aktivkohlefilter (1) geleitet und dort gespeichert werden und bei dem das Aktivkohlefilter (1) durch Entfernen der gasförmigen Kohlenwasserstoffe regeneriert wird, wobei zur Regeneration des Aktivkohlefilters (19) die im Filter (1) eingespeicherten Kohlenwasserstoffe von der Aktivkohle desorbiert, vom Aktivkohlefilter (1) entfernt, kondensiert und gesammelt werden und die gesammelten verflüssigten Kohlenwasserstoffe der Brennkraftmaschine zugeführt werden wobei die im Aktivkohlefilter (1) eingespeicherten Kohlenwasserstoffe durch Unterdruckbeaufschlagung des Filters (1) ausgegast und auf diese Weise von der Aktivkohle desorbiert werden, wobei die Kondensation der Kohlenwasserstoffe in gutem Wärmekontakt mit der Aktivkohle durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,dass die gesammelten verflüssigten Kohlenwasserstoffe unter Druck gehalten und zu einem bestimmten Zeitpunkt der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivkohlefilter (1) bis auf einen definierten Restdruck im Filter regeneriert wird, indem die Unterdruckbeaufschlagung bei Erreichen des Restdrucks gestoppt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation der Kohlenwasserstoffe in einer als Kondensator dienenden Rohrschlange (11) im Aktivkohlefilter (1) durchgeführt wird.
Tankentlüftungssystem eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges mit einem Kraftstofftank (5), einem Aktivkohlefilter (1), einer Leitung (9) vom Kraftstofftank (5) zum Aktivkohlefilter (1), einer Leitung (7) vom Aktivkohlefilter (1) zur Umgebung, einer Einrichtung zum Desorbieren der im Aktivkohlefilter (1) eingespeicherten Kohlenwasserstoffe von der Aktivkohle, einer Einrichtung zum Entfernen der Desorbierten Kohlenwasserstoffe aus dem Aktivkohlefilter (1), einer Einrichtung zum Kondensieren der entfernten desorbierten Kohlenwasserstoffe, einer Einrichtung zur Zuführung der verflüssigten Kohlenwasserstoffe zur Brennkraftmaschine und einer Einrichtung zum Sammeln der verflüssigten Kohlenwasserstoffe, wobei die Einrichtung zum Desorbieren der im Aktivkohlefilter eingespeicherten Kohlenwasserstoffe von der Aktivkohle eine Einrichtung zur Unterdruckbeaufschlagung des Aktivkohlefilters (1) zur Ausgasung der adsorbierten Kohlwasserstoffe ist, wobei die Einrichtung zum Kondensieren ein im Aktivkohlefilter (1) angeordneter Wärmetauscher ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gesammelten verflüssigten Kohlenwasserstoffe in der Einrichtung zum Sammeln der verflüssigten Kohlenwasserstoffe gesammelt und unter Druck gehalten und zu einem bestimmten Zeitpunkt der Brennkraftmaschine zugeführt werden..
Tankentlüftungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Unterdruckbeaufschlagung des Aktivkohlefilters (1) eine Saugpumpe (2) ist.
Tankentlüftungssystem nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine von den ausgegasten Kohlenwasserstoffen durchströmte Rohrschlange (11) ist.
Tankentlüftungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Sammeln der verflüssigten Kohlenwasserstoffe über eine Leitung (12) mit dem Luftansaugkanal der Brennkraftmaschine verbunden ist.